基于Arduino的多参数室内空气质量监测系统研究

杨洋 杨亚东

摘   要：基于开源硬件Arduino，开发了一款多参数室内空气质量监测装置，实现了对室内一氧化碳、甲醛、灰尘和温湿度的实时检测和显示，并具有数据分析、超限报警等功能。文章介绍的装置具有测量参数多、体积小、成本低和使用方便的特点，面向一般家庭用户使用，具有较强的应用前景。

关键词：空气质量监测;甲醛;一氧化碳;灰尘;报警

1    室内空气质量监测背景

室内空气质量健康与否直接关系着居民的身体健康和儿童的生长发育。有害气体、家庭煤气泄漏以及空气中的可吸入颗粒无处不在，不仅会引发呼吸道疾病、肺病等多种严重疾病，而且容易引发人身安全事故。加之近年来我国各地雾霾天气的出现和加重，“绿色家居”和“智能家居”的新词语得到了高度重视，人们迫切需要一种可靠、实用的检测设备来监测室内的空气质量。

现如今，面市的检测室内空气质量的仪器普遍存在监测的参数比较单一、需要专业人员操作等缺点。在这种情况下，设计开发一款操作方便的多参数室內空气质量监测系统对居民生活是十分有意义的。本文基于开源硬件Arduino开发了一款室内空气质量监测系统，此系统旨在实现对一氧化碳、甲醛、可吸入颗粒、温湿度等多参数的实时测量，所测量的室内空气质量参数都是人们居家生活所普遍关心的参数，居民能随时了解室内空气质量状况，做好预防措施。

2    系统总体设计

本系统由下位机、通信模块和上位机3部分组成，组成框架如图1所示。图中，下位机以Arduino开发板为核心构成，包括传感器模块、显示器和报警装置。通信模块负责上位机与下位机间的通信，下位机传感器采集到的数据送给显示器显示的同时通过通信模块传给上位机，如PC机、笔记本电脑或智能手机等，上位机分析传感器数据，绘制和记录各空气参数的变化曲线图，当环境参数值超出国家标准规定的安全范围，系统会自动报警，并给出提示[1]。

本系统采用模块化设计，工作方式可以灵活多样，去掉上位机和通信模块，单独下位机也可以作为一个独立系统工作，完成测量参数的显示和报警功能，只是不能记录和绘制空气质量参数的变化曲线数据。下位机去掉显示器和报警器时，也可以通过上位机进行测量数据的显示和报警。

3    硬件系统设计

3.1  Arduino开发板的选取

采用Arduino Uno开发板。这种开发板的基本供电方式有两种，一种是通过USB连接到电脑端，另一种是直接用电源插头连接，弊端是不能方便地下载和修改程序。Arduino Uno开发板的一个优点是内部具有模数转换器并且能将Atmega16U2编程为一个USB-to-serial转换器，缩短了编译和上传程序的时间[2]。

3.2  传感器模块

3.2.1  一氧化碳传感器

选用一氧化碳传感器MQ-7，该传感器对一氧化碳、液化气、甲烷等气体有着很高的灵敏度，对空气中的其他气体也可以准确检测，MQ-7能够检测不同种类的可燃性气体，而且它的制作成本并不高，是一个应用十分广泛的气体传感器。

3.2.2  甲醛传感器

选用MQ-138甲醛传感器，该传感器对甲醛、乙醇、甲苯等有害气体有着很高的反应速度，对空气中的其他气体也可以准确检测，MQ-138能够检测不同种类的有机蒸汽，而且它的制作成本并不高，是一个应用十分广泛的气体传感器。虽然甲醛传感器采集到的是模拟值，但我们可以通过简单的电路将其电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

3.2.3  灰尘传感器

选用灰尘传感器DSM501，该传感器可以检测到房间内的灰尘和固体小颗粒，具有自动加热吸气装置，检测灰尘数值的上限可用调节电阻去控制。它检测出的值是在单位体积内的绝对个数，与粒子计算器是在同一理论上进行研究的[3]。

3.2.4  温湿度传感器

选用DHT11温湿度传感器。该传感器不仅是一种高精度的数字温度和湿度传感器，而且也是一种复合传感器。内部包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，通过单线制串行接口输出完成校准的数字信号。具有体积小、响应快、抗干扰强、价格便宜、有长期的稳定性和极高的可靠性等优点。

3.2.5  显示模块

选用液晶显示LCD12864，该传感器体积比较小，比较容易携带。液晶显示器没有辐射作用，对人体比较健康。液晶LCD使用过程中消耗的电能比较小，对于使用电池做电源的装置来说比较省电。其图像显示能力特别强，清晰、稳定、像素分辨率也很高，不会出现模糊、重影等现象。液晶LCD还有一个优点就是不容易受到外界的干扰。

3.2.6  报警模块

选用蜂鸣器用作超限报警，一旦发现各参数中的任何一个超过额定限制，就可以进行报警提示，不用专门观察，显得更加人性化、智能化。

3.2.7  通信模块

为增强系统的灵活性，提供了有线和无线两种通信方式，有线通信模块采用MAX485模块，无线通信采用HC-05蓝牙模块，用户可以根据具体情况选用。为便与计算机连接，有线通信时，计算机通过USB转RS485模块与MAX485模块相连接。无线通信时，计算机通过蓝牙模块与下位机蓝牙模块进行无线通信。

4    软件系统设计

软件系统控制和配合硬件系统工作，包括下位机软件程序和下位机软件程序两部分。下位机程序在Arduino IDE环境开发，采用类似C语言编写，并调用Arduino库函数。上位机程序采用虚拟仪器LabVIEW软件开发。LabVIEW是一种图形化的开发工具，功能强大，易学易用，便于开发出图形化的显示界面[4]。

4.1  下位機软件系统设计

下位机软件系统根据系统的工作方式编写。负责控制下位机传感器数据的采集、显示、报警和与通信模块的接口。下位机单独工作时的程序流程如图2所示。

根据人体对有害气体和颗粒物的浓度标准进行阈值设置，当系统采集值换算为浓度值超过设置的阈值时，蜂鸣器开始报警，最后将有害气体和颗粒物浓度在LCD12864液晶显示屏上显示。

4.2  上位机软件系统设计

为保证上位机工作，上位机除了安装LabVIEW软件外，还需安装美国NI公司提供的DSC模块（数据存储监控模块）和Real-time模块（实时模块），这样才能实现modbus通信应用。需要说明的是本系统的上位机和通信模块是可选部件，去掉这两部分，下位机可以作为一个独立系统工作，完成空气质量监测任务。

5    系统测试

为测试本系统的有效性，分别在下位机单独工作和加上上位机两种工作方式下对系统进行了测试，其中，上位机工作时分别测试了有线和无线两种通信方式。实验结果表明，系统能够可靠工作，达到了预期的设计目的。图3给出了系统测试时下位机LCD显示器的显示界面[5]。

6    结语

本文开发了一种多参数室内空气质量监测系统，实现了对一氧化碳、甲醛、灰尘和温湿度的测量。这些空气质量参数都是家庭用户所普遍关系的，且本系统工作方式灵活，操作简单，实用性强，可以实时测量，便于一般家庭使用。

基金项目：陕西省大学生创新训练计划项目;项目名称：基于Arduino的多参数室内空气质量监测系统;项目编号：127152017043。

作者简介：杨洋（1996— ），男，甘肃兰州人，本科生;研究方向：电子信息工程。

[参考文献]

[1]毛敏，张明宇，谭艳君，等.基于Arduino和LabVIEW的温湿度监测系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2017（2）：84-87.

[2]兰羽，卢庆林. 基于MQ138传感器的甲醛检测仪设计[J].电子测量技术，2013（8）：111-114.

[3]毛敏.基于Arduino和LabVIEW远程可燃气体监测系统[J].电气自动化，2017（5）：32-34.

[4]秦华，孙晓松.基于Arduino/Android的环境状况监测系统设计[J].无线互联科技，2013（1）：59-61.

[5]田开坤.基于LCD12864显示器的数字示波器设计[J].电子制作，2010（5）：32-39.

Abstract：Based on open source hardware Arduino， developed a multi-parameter indoor air quality monitoring device， the real-time detection and display of indoor carbon monoxide， formaldehyde， dust and temperature and humidity are realized， and the functions of data analysis， out-of-limit alarm and so on are realized. The device introduced in this paper has the characteristics of many measurement parameters， small volume， low cost and convenient use. It is suitable for general home users and has a strong application prospect.

Key words：air quality monitoring; formaldehyde; carbon monoxide; dust; alarm